高压井控楔形节流阀三维流场模拟及阀芯失效分析0103.doc

高压井控楔形节流阀三维流场模拟及阀芯失效分析付玉坤1，刘炯2，王娟1，邓淇尹1，韩传军1（1.西南石油大学，四川 成都610500；2.川庆钻探公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉618300 ）摘要:井控节流阀是钻井井控管汇中的关键设备，它是否正常工作直接关系到压井的成败。本文根据节流阀实际流场情况，建立了楔形节流阀三维有限元模型，并基于流体动力学理论，运用流体分析软件对高压井控节流阀内的三维流场进行了模拟，得出节流阀内部流场分布规律及特点。结果表明，由于内部流体的高速流动，阀芯在楔形面沿轴向处以及前端处由于流体的冲蚀作用会首先发生冲蚀失效，将该分析结果与油田现场阀芯失效的实际情况进行了比较，结果非常吻合。主题词:井控节流阀；楔形阀芯；三维流场模拟；冲蚀The 3D Flow Simulation and Erosion Mechanism Analysis of the High-Pressure Throttle ValvesFU Yu-kun1, LIU Jong2, WANG Juan1, DENG Qi-yi1, HAN Chuan-jun1（1.Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; Environmental Safety and Quality Supervision Detection Institute of Sichuan-Changqing Drilling, Guanghan 618300, China）Abstracts: Throttle valves are one of the important equipments in the well-control header, the normal operation of which a successful well killing will lie on. In this paper, based on the actual flow field of the throttle, setting up a three-dimensional finite element model of the wedge-shaped throttle, and on the basis of hydrodynamics, using the modern analytic software to simulate the flow fields in high-pressure throttle valves. The results show that, because of the high-speed flow of the internal flow field of throttle, finding that erosion is first occurs along the axial direction in the wedge-shaped surface, and which is very consistent with the actual situation when comparing with the actual conditions of the oilfield.Keywords: well-control throttle valve; wedge-valve core; 3d flow simulation; erosion节流管汇是现代井控工艺重要的装备之一。目前油气田现场使用的楔形节流阀后，对比早先使用的锥心节流阀，工作更加稳定可靠，较好的避免了高压流体冲击下阀芯的震荡以及断裂现象的发生。但该阀在现场实际应用中也出现了一些问题，节流阀的阀杆端面以及楔形面沿轴向出现明显的刺漏痕迹，楔形面的刺漏深度甚至达到3mm，节流效果受到较大的影响1,3。因此，如何提高节流阀的工作可靠性是设计者和使用者必须重视的问题。本文通过流场数值模拟对楔形阀内流场的不稳定情况进行了分析，找到了流场对楔形阀芯失效的主要影响原因，为楔形阀的结构改进提供了理论依据。1.控制方程及物理方程1.1 节流阀理论(1) 流量系数流量系数是衡量阀门流通能力的指标，其计算的一般形式为78：式中：为流量系数；为体积流量，；为流体密度，；为阀门压力损失，。 (2)流阻系数流体通过弯管和截面突变的地方时，会有扰动、搅拌，从而形成气穴、漩涡和尾流，或使流体质点相互撞击，产生较大的能量损耗。在节流阀流动中，流阻系数是最关键的参数，它表示流体通过节流阀时所产生的压头损失，其采用下式计算：式中：为流阻系数；为进口压力，；为出口压力，；为局部阻力下游处的平均流速，；为密度。1.2 控制方程 在钻井过程中，节流阀内泥浆的流动是一种非常复杂的湍流流动，为了便于分析，本文采用标准方程模型作为其封闭方程，得到了流体在节流阀内流动所满足的控制方程6。质量守恒方程为: 动量守恒方程为: 湍流方程为： 式中，为流体密度， ；为压力，Pa；为流体的速度矢量，；为湍流粘性系数，；为耗散率，；为湍流动能，。在标准方程中，相关常数可取为：，。2 有限元模型2.1 建立有限元模型在实际工作中，泥浆在楔形节流阀中是三维非定常流动，流体的运动规律非常复杂，因此本文根据楔形节流阀平面结构模型（如图1所示），建立了节流阀的三维模型，划分网格时采用映射网格，在壁面等流体梯度大处网格适当划密，得到了较精确解的三维网格模型(如图2所示)，用来分析节流阀内部的流场分布情况。 图1 节流阀结构模型及流动情况 图2 三维流场网格模型2.2 初始边界条件节流阀内的流体的密度为1800，动力黏度为0.02；入口流速为10m/s,入口湍流参数设定为入口湍动能和耗散率；出口假设所有变量的扩散通量为零，背压为0MPa，其中： 湍动能K为：，式中，为单位质量流体的湍动能，为入口处的平均流速。 耗散率为：，式中，、含义同上，为特征尺度，。3 计算结果分析通过对节流阀在特定工况下的分析，得出了节流阀内部的流场分布情况（如图3所示），从中可以看出，高流速流体主要集中在出口端与入口端过流面积变化较大处，因此影响也最大。通过图4可以看出，当均匀来流流入节流阀入口时，一部分流体直接进入节流孔，另外一部分流体会与阀体形成漩涡再转折流入节流孔。经节流孔，大部分流体喷射进入扩散段，在扩散段流体与阀体会形成漩涡再流出。涡流区 图3 节流阀内部流场三维流动流线图 图4 节流阀内流场速度分布流线图为了能够定性了解流体在节流阀中的流动趋势以及流体在节流阀内的流动情况，这里取节流阀对称面来对节流阀内的流场进行分析，得出平面上的速度流场分布流线图以及云图（如图4、5所示）和节流阀内部压力云图（如图6所示）。 强流区高压区 图5 节流阀内流场速度分布云图 图6 节流阀内压力云图3.1 速度场分析由图4、5节流阀内部速度流场云图以及流线图可以看出，流体速度在3.9579m/s之间的范围内变化，并且在出口端过流面积改变处，流体都处在高速流阶段，其中在节流阀的楔形面沿轴向处速度矢量最大，由于泥浆中含有各种颗粒状的物质，因此在通过节流口后形成的高速流体有一部分以很大的速度冲刷楔形面，对面产生了很大的切削作用。阀芯长时间在高压高流速的情况下，就会很容易把楔形面冲坏，使得节流阀失效。另外，在进口端和出口端处，流场都产生了涡流区，流体的来回运动对管壁也有很大的冲刷作用，造成管壁的破坏。3.2 压力场分析由图6流场内部压力云图可以看出，节流阀内的压力在0.073.3MPA范围内变化，节流阀进口端为高压区，出口端为低压区，其中在进口端管壁上和阀芯楔形面上的产生的压力最大。由于阀芯在楔形面处的形状产生了很大的改变，当压力作用在该处时，楔形面将会产生很大的作用力，长期作用下会首先进入屈服阶段，随着高速流体的不断冲击，促使楔形面沿轴向处会首先发生失效破坏。4 结论通过对大量现场情况的调研，发现90%以上楔形节流阀阀芯面处都会出现冲蚀破坏，这是因为节流阀在高压作用下，各种物质混合的流体在节流管汇中高速流动。通过节流阀时，由于过流面积骤然减小，流体流速进一步升高，高速流体通过楔形节流阀开启的微小间隙时，阀芯发生刺漏，图7为其典型失效案例。图7 现场阀芯典型失效案例通过对节流阀的流场分析，得出了内部流场流速和压力分布规律和特点，得出阀芯的楔形面沿轴向处以及端处泥浆的流速最大，对楔形面产生的冲击作用也就最大，楔形面也就最容易产生冲蚀，进而发生损坏失效，这与现场阀芯冲蚀失效情况是非常吻合的。参考文献1 王德玉，刘清友,何霞. 高压节流阀的失效与受力分析J.天然气工业,2005,25(6).2 张祥来. 固定节流阀特性研究J.天然气工业,2007,27(5).3 张祥来，刘清友. 井控节流阀冲蚀机理及结构优化J.天然气工业,2008,28(2).4 魏存祥，朱海燕等. 固定节流阀流场数值模拟研究J.石油矿场机械,2008,37(5).5 刘清友，单代伟，陈丽霞. 高压井控锥阀流场数值模拟研究J.石油矿场机械，2007，36（5）6 陶文铨.数值传热学 西安:西安交通大学出版社M,20017 吴江航，韩庆书.计算流体动力学的理论、方法及应用.北京:科学出版社M,19988 (美)罗奇著.计算流体力学.钟锡昌，刘学宗译.北京:科学技术出版社,19839 Roache PJ.